广佛肇高速公路K171+990～K172+210段边坡监测与稳定性分析研究

2016-10-12屈陈哲秦仁杰

湖南交通科技 2016年3期

关键词：坡脚路堤边坡

屈陈哲，秦仁杰，刘　斌，吴　腾

(长沙理工大学，湖南长沙　410114)

广佛肇高速公路K171+990～K172+210段边坡监测与稳定性分析研究

屈陈哲，秦仁杰，刘斌，吴腾

(长沙理工大学，湖南长沙410114)

随着国内交通网越来越密集，高速公路的建设正在向山区丘陵地带转移，而在这些区域修筑高速公路时，势必会遇到高填深挖的边坡稳定性问题。针对广佛肇高速公路肇庆大旺至封开江口K171+990～K172+210段路堤边坡，提出了合理的边坡监测方案，运用FLAC3D软件针对该边坡稳定性进行了分析并与实测值进行对比，验证了该边坡设计方案的合理性。

；高速公路；高填路基；边坡监测；数值模拟

0　引言

随着国内交通网越来越密集，高速公路的建设正在向山区丘陵地带转移，而在这些地段修筑道路时，高填深挖是常见的路基断面形式。随之而来的是人们对边坡稳定性问题的关注，对边坡的监测与稳定性控制的好坏直接影响人身安全、工程造价等。因此掌握边坡地表变形对于边坡的稳定性评价和及时发现边坡的溜塌、失稳迹象是十分必要的。本文对广佛肇高速公路K171+990～K172+210段路堤边坡提出了边坡监测方案，并运用有限差分法对监测结果进行了验证。

1　监测方案

1.1监测背景

本项目穿行在山川丘陵地带，大于30 m的高路堑边坡有59处，高填路堤边坡66处。高填深挖路段坡度较陡、岩体破碎松散、节理明显、地下水发育，这些特征都是诱发边坡失稳的重要因素，因此对这些路段边坡进行实时监控是很有必要的。

1.2监测内容

K171+990～K172+210段高填路堤共5级边坡，中线处最大填筑高度为24 m，地基平均坡度为16%，路堤长度为200 m。第1级和第2级边坡填料为含少量碎石的全风化砂岩，第3级、4级和5级边坡填料为全风化砂岩。本文对该路堤边坡采取人工巡视、裂缝观测、坡面观测、高路堤沉降观测和水平位移观测等监测方法和内容。沉降板从96区(路基顶面往下0.80 m，称为下路床[1])开始埋设，分别位于路基两侧和路基中心，共3个监测点；位移桩布置于边坡平台上，每一级平台布置3～4个位移桩。

根据该工程项目的特点，设定的预警标准为；①最大位移速率应小于2 mm/d；②边坡开挖后位移不收敛，持续增长；③坡面裂缝张开或下错严重。

2　监测断面工程概况

文章选取的典型横断面如图1所示，该断面左侧最大边坡高度43.15 m，线位中心最大高度19.17 m。

该断面地质条件如图2所示。

6个月的监测结果如图3所示，2号测点位于路基中心，1号位于路堤右侧，3号测点位于路堤左侧。图中可以看出路基中心累计沉降不超过30 mm，日沉降小于2 mm。沉降曲线逐渐收敛，证明此边坡目前趋于稳定状态。

图1　K171+990～K172+210典型横断面

图2　地质概况

图3　路堤沉降板监测曲线

3　运用FLAC 3D模拟分析

3.1计算基本原理

FLAC/FLAC3D是有限差分软件[2]，即在采用数值计算方法求解偏微分方程时，若将每一处导数由有限差分近似公式替代，从而把求解偏微分方程的问题转换成求解代数方程的问题，即所谓的有限差分法。

计算模型采用岩土工程中应用最广泛的Mohr-Coulomb模型，该模型包括拉伸和剪切两个准则[3](如图4)。

图4　Mohr-Coulomb破坏准则

主应力空间中(拉为正，压为负)，由Hooke定律可得应力的增量的表达式为：

式中，α1和α2为由剪切模量和体积模量定义的材料常数，α1=K+4G/3，α2=K-2G/3。

破坏包络线f(σ1，σ3)=0，从A到B由剪切破坏准则fs=0定义：

从B到C由拉伸破坏准则fτ=0：

fτ=σ3-στ

用隐函数gs和gt表征材料剪切和拉伸塑形流动规律，其中函数gs对应非关联流动法则，其形式为：

gs=σ1-σ3Nφ

函数gt为相关联的流动法则，其形式为：

gt=-σ3

当岩体应力状态处于稳定区域时，岩体呈弹性状态，不需要进行塑性修正，而进入屈服区域时，根据关联(非关联)流动法则需进行修正。

对于剪切破坏情况(AB段)，修正后的应力增量关系可表示为：

拉伸破坏(BC段)修正后的应力增量关系可表示为：

3.2模型建立与计算参数选取

因为在96区才开始埋设沉降板，短时间内观测数据主要针对第5级边坡进行沉降分析。

如图5所示，地基计算深度为35 m，上部为厚度16 m的全风化砂岩，下部是厚度为19 m的杂填土(夹杂少量碎石的全风化砂岩)；路基计算宽度200 m，填筑高度为8 m，坡度为1∶1.5。各土层力学参数[4]见表1所示。

根据对称性，采用1/2模型进行计算分析。将地基表面与模型对称轴的交点设为坐标的圆点O点，水平向右为X方向，垂直于模型平面的方向为Y方向，竖直向上为Z方向。如图6所示。

图5　路堤施工的几何模型(单位；m)

表1 各土层物理力学参数土层名称质量密度ρ/(kg·m-3)粘聚力C/kPa内摩擦角φ/(°)剪切模量E/MPa泊松比v全风化砂岩19302218400.25杂填土19702424500.22

图6　网格模型

网格建立按照分区域建模进行，由于路基坡脚的位置存在一个关键点，所以将计算模型划分5个区域。对每个区域按照控制点利用六面块体brick单元建立网格，并进行材料赋值，本例中Y方向只设置一个单元，尺寸为5.0 m。

对底部边界节点的X、Y、Z三个方向的速度进行约束，相当于固定支座，对X方向两侧的边界进行水平速度约束。由于Y方向只设置一个单元长度，所以对模型中所有节点Y方向速度均进行约束，相当于平面应变分析。

3.3初始应力计算

模拟计算前，对路基部分网格赋值为null空模型，地基部分网格赋值为Mohr模型。因为null模型不能采用solve elastic的求解方法，所以采用分阶段的弹塑性求解来获得初始应力。为了在重力作用下单元不会发生屈服，将Mohr模型的粘聚力c和抗拉强度σt赋值为无穷大，然后再将Mohr模型参数赋值为真实值，进行求解。

根据FLAC3D计算结果，最大竖向应力值为763 kPa，最大水平应力值为291 kPa，竖向应力与水平应力云图如图7和图8所示。

图7　初始竖向应力图

图8　初始水平应力云图

3.4施工过程模拟

将先前计算初始应力的过程中产生的节点位移和速度位移进行归零。本文中路基高度为8 m，故将路基高度方向共划分成8个单元，同时为了有效地模拟路基的施工过程，采用了分级加载的方法激活路基单元，每一次激活一个单元，共分8次填筑完成，相当于每次施工填筑高度1 m。图9和图10分别为填筑结束时的沉降云图和水平位移云图，可以发现最大沉降发生在地基表面的左侧边界处，其值为10.66 cm，而最大水平位移发生在坡脚以下的深部地基中。

计算过程中最大不平衡力的收敛过程如图11所示，从图中可以看到初始应力计算过程中有很大的数值逐渐收敛，随即后续进行路基施工填筑，每一次填筑引起的不平衡力都在计算过程中逐渐收敛。

图9　填筑结束后的沉降云图

图10　填筑结束后的水平位移云图

图11　最大不平衡力变化图

路基填筑过程中监测了路基中心点和路基坡脚处节点的沉降和水平位移，图12和图13为监测结果，从图看出在迭代过程中节点位移随迭代步数的变化。

图12　路基中心和路基坡脚的沉降监测历史

图13　路基坡脚的水平监测历史

3.5路基中心与坡脚的变形量

通过FLAC3D软件计算节点767(路基坡脚)变形量如表2。

可知路基坡脚处的最大沉降为2.96 cm，填方路堤边坡水平方向位移较小，路基坡脚处的最大水平位移为4.45 mm。虽然此路基坡脚的水平位移较小，但在填方路堤碾压夯实的过程中，也必须注意保护坡脚的稳定性。

计算节点743(路基中心)变形量如表3。

从图14可以看出路基中心的最大沉降量为

表2 路基坡脚变形量节点(路基坡脚)X/mY/mZ/m767-0.0015960.00-0.006049767-0.0027750.00-0.011023767-0.0036030.00-0.015240767-0.0041340.00-0.018883767-0.0044160.00-0.022080767-0.0044500.00-0.024907767-0.0041990.00-0.027407767-0.0036650.00-0.029637

表3 路基中心变形量节点(路基中心)X/mY/mZ/m7430.000.00-0.0136567430.000.00-0.0274767430.000.00-0.0411267430.000.00-0.0544987430.000.00-0.0674457430.000.00-0.0805877430.000.00-0.0936937430.000.00-0.10669

10.66 cm，满足《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》[5]中规定的高速公路的工后沉降不能大于30 cm。